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區(qū)塊鏈可擴展性一直是個熱門話題。幾乎所有的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡都將每秒交易量（TPS）作為賣點。然而，TPS 并不是比較區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的有效指標，這也使得評估它們的相對性能成為挑戰(zhàn)。此外，高 TPS 通常要付出代價。這就出現(xiàn)了一個問題：這些網(wǎng)絡是否真的有那么高擴展性，還是它們只是提高了吞吐量？
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我們首先來看看如何定義可擴展性，為實現(xiàn)可擴展性做出了哪些取舍，以及為什么有效性證明是可擴展性的終極解決方案。
并非所有的交易都平等
首先我們要確定，簡單的 TPS 指標并不是可擴展性的準確衡量標準。
為對節(jié)點執(zhí)行交易進行補償（并阻止用戶用不必要的計算來擾亂網(wǎng)絡），區(qū)塊鏈會按照鏈上計算收取一定比例費用。在以太坊?上，計算負擔的復雜性以 gas 來衡量。由于用 gas 衡量交易復雜性非常方便，因此該術(shù)語將在本文中也應用于非以太坊區(qū)塊鏈，盡管它通常是以太坊專有的。
交易在復雜性上存在顯著差異，那對應的 Gas? 也是如此。比特幣?是無需信任的點對點交易的先驅(qū)，只支持基本的比特幣腳本。這種地址對地址的簡單轉(zhuǎn)移消耗的 gas 很少。相比之下，以太坊或 Solana? 等智能合約?鏈，支持虛擬機?和圖靈完備的編程語言，允許進行更復雜的交易。因此，像 Uniswap 這樣的 DApp 需要更多的 Gas。
這就是為什么比較不同區(qū)塊鏈之間的 TPS 沒有意義。相反，我們應該比較的是計算能力，或者是吞吐量。
所有區(qū)塊鏈都有一個（可變的）區(qū)塊大小和區(qū)塊時間，它們決定了每個區(qū)塊可以處理多少個「計算單元」以及新出塊的速度。這兩個變量共同決定了區(qū)塊鏈的「吞吐量」。
什么限制了可擴展性？
區(qū)塊鏈的終極目標是實現(xiàn)去中心化、包容性最大化的網(wǎng)絡。要實現(xiàn)這個目標，有兩個特性必須得關(guān)注。
硬件要求
區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的去中心化是由網(wǎng)絡中最弱的節(jié)點驗證驗證區(qū)塊鏈以及其保持狀態(tài)的能力所決定。因此，運行一個節(jié)點的成本（硬件、帶寬和存儲）應盡可能低，以讓更多的個體成為無需信任網(wǎng)絡中的無需許可參與者。
狀態(tài)增長
狀態(tài)增長指的是區(qū)塊鏈增長的速度。一條區(qū)塊鏈在單位時間內(nèi)的吞吐量越大，區(qū)塊增長速度就越快。全節(jié)點存儲網(wǎng)絡歷史，它們必須能夠驗證網(wǎng)絡的狀態(tài)。通過使用樹狀等高效結(jié)構(gòu)，以太坊的網(wǎng)絡狀態(tài)得以儲存和引用。隨著狀態(tài)增長，新的葉子和分支添加到其中，使得執(zhí)行某些行動變得越來越復雜和耗時。隨著鏈的增長，節(jié)點執(zhí)行最差情況也會惡化，從而導致驗證新區(qū)塊的時間不斷增長。隨著時間推移，這也增加了同步一個全節(jié)點的總時長。
增加吞吐量的不利影響節(jié)點數(shù)
運行一個節(jié)點的最低要求以及節(jié)點數(shù)量是：
- 比特幣：350GB 硬盤空間，5M/s 帶寬，1GB 內(nèi)存，CPU 大于 1Ghz。節(jié)點數(shù)量約 1 萬
- 以太坊：500GB 以上的 SSD 硬盤空間，25 M/s 帶寬，4 至 8GB 內(nèi)存，CPU 2-4 核。節(jié)點數(shù)量約 6 千
- Solana：1.5TB 以上的 SSD 硬盤空間，300M/s 帶寬，128GB 內(nèi)存，CPU 12 核以上。節(jié)點數(shù)量約 1.2 千
請注意，區(qū)塊鏈的吞吐量對節(jié)點的 CPU、帶寬和存儲要求越高，網(wǎng)絡上的節(jié)點數(shù)量就越少，導致去中心化程度越弱，網(wǎng)絡的包容性越差。
同步全節(jié)點的時間
當?shù)谝淮芜\行節(jié)點時，需要與現(xiàn)有的所有節(jié)點進行同步，下載并驗證從創(chuàng)世區(qū)塊到鏈頂端的網(wǎng)絡狀態(tài)。這個過程應盡可能快且有效，以允許任何人都可以成為無需許可的協(xié)議參與者。
以 Jameson Lopp 的 2020 年比特幣節(jié)點?和 2021 年節(jié)點同步測試為指標，下表比較了在普通消費級 PC 上同步一個比特幣與以太坊與 Solana 的完整節(jié)點所需的時間。
上表顯示，增加吞吐量會導致更長的同步時間，因為越來越多的??數(shù)據(jù)??需要處理和存儲。
盡管節(jié)點軟件在不斷地優(yōu)化（降低磁盤占用空間，加快節(jié)點速度，增強崩潰恢復能力，組件??模塊化??等等），以應對區(qū)塊鏈持續(xù)增長帶來的挑戰(zhàn)，但節(jié)點顯然仍然無法跟上吞吐量增加的步伐。
應該如何定義可擴展性？
可擴展性是區(qū)塊鏈領域中誤解最多的術(shù)語。雖然提升吞吐量是可取的，但它也只是難題的一部分。
可擴展性意味著在相同的硬件上有更多的交易。
所以，可擴展性可分為兩類。
?排序可擴展性
排序是網(wǎng)絡中交易的排序和處理行為。如前所述，任何區(qū)塊鏈都可以通過提高區(qū)塊大小和縮短區(qū)塊時間來微弱地增加其吞吐量，直至對其去中心化的負面影響顯著到無法忽視為止。但是，調(diào)整這些簡單的參數(shù)并不能達到所需的提升。以太坊 EVM? 理論上可以處理高達約 2 千 TPS?，但這不足以滿足長期區(qū)塊空間需求。為擴展排序，Solana 做出了創(chuàng)新：利用可并行的執(zhí)行環(huán)境和一個巧妙的共識機制，讓吞吐量的效率大大提高。但是，盡管有這些改進，它既不充分，也不具備可擴展性。隨著吞吐量的增加，Solana 運行節(jié)點和處理交易的硬件成本也在增加。
驗證可擴展性
驗證可擴展性是在不增加硬件成本加重節(jié)點負擔的情況下增加吞吐量的方法。具體來說，指的是像有效性證明這樣的密碼學創(chuàng)新，讓區(qū)塊鏈得以可持續(xù)地擴展。
什么是有效性證明 Rollup
有效性證明 Rollup（也稱為 ZK-Rollup）將計算和狀態(tài)存儲轉(zhuǎn)移到鏈下，鏈上只保留少量的特定數(shù)據(jù)。底層區(qū)塊鏈上的一個智能合約維護 Rollup 的狀態(tài)根。在 Rollup 上，一批高度壓縮的交易，連同當前的狀態(tài)根，發(fā)送到一個鏈下的證明器。證明器計算交易、生成結(jié)果和新狀態(tài)根的有效性證明，并將其發(fā)送給鏈上的驗證器。驗證器驗證有效性證明，存儲 Rollup 狀態(tài)的智能合約將其更新為證明器提供的新狀態(tài)。
有效性證明 Rollup 如何在相同的硬件要求下進行擴展？
證明器對硬件要求確實高，但它們不會影響區(qū)塊鏈的去中心化，因為交易的有效性是由數(shù)學上可驗證的證明來保證的。
重要的是驗證證明的要求。由于所涉及到的數(shù)據(jù)被高度壓縮，并很大程度上通過計算被抽象化，它對底層區(qū)塊鏈節(jié)點的影響是最小的。
驗證器（以太坊節(jié)點）不需要高端硬件，批次的大小也不會增加硬件要求。只有狀態(tài)轉(zhuǎn)換和少量的調(diào)用數(shù)據(jù)需要由節(jié)點處理和存儲。這允許所有以太坊節(jié)點用現(xiàn)有的硬件可以來驗證有效性 Rollup 的批量交易。
交易越多越便宜
在傳統(tǒng)區(qū)塊鏈中，交易越多，區(qū)塊空間占用越大，也就越昂貴。這就導致用戶需要在手續(xù)費市場上競價來優(yōu)先打包交易。
而對有效性證明 Rollup 來說，這種動態(tài)是相反的。在以太坊上驗證一批交易有一定成本。隨著一批交易內(nèi)交易數(shù)量的增加，驗證該批交易的成本增加速度會以指數(shù)級降低。有效性證明中，一個批次里交易數(shù)量增多，盡管批量交易驗證費用增加，但單筆交易費用反而更便宜，因為總交易成本由同一批次內(nèi)所有交易均攤。有效性證明希望一個批次內(nèi)有盡可能多的交易，這樣驗證費用就可以由批次內(nèi)所有用戶平攤。當批次規(guī)模增長到無限大時，每筆交易的平攤費用就會接近于零，也就是說，有效性證明的交易越多，對每個用戶來說就越便宜。
dYdX，一個由有效性證明驅(qū)動的 DApp，經(jīng)常有超過 1.2 萬交易的批次規(guī)模。對比在以太坊主網(wǎng)和在有效性證明上，同樣的交易的 Gas 消耗，可以說明可擴展性的提升：
在以太坊主網(wǎng)上結(jié)算一筆 dYdX 交易：200,000 Gas
在 StarkEx 上結(jié)算一筆 dYdX 交易：低于 500 Gas
從另一個方面來看，有效性證明 Rollup 的主要成本與同一批次的用戶數(shù)量成線性比例。
為什么 Optimistic Rollup 不像大家想的那樣可擴展
從理論上來講，Optimistic Rollup 提供了與有效性證明幾乎相同的可擴展性優(yōu)勢。但有一個重要的區(qū)別，Optimistic Rollup 針對平均情況進行優(yōu)化，而有效性證明針對最壞情況進行優(yōu)化。因為區(qū)塊鏈系統(tǒng)是在極端對抗的條件下運行的，針對最壞情況進行優(yōu)化是實現(xiàn)安全的唯一途徑。
在 Optimistic Rollup 的最壞情況下，用戶的交易不會被欺詐檢查器檢查。因此，為了質(zhì)疑欺詐，用戶必須同步一個以太坊全節(jié)點，一個 L2 全節(jié)點，并自己計算可疑的交易。
在有效性證明 Rollup 的最壞情況下，用戶只需要同步一個以太坊全節(jié)點來驗證有效性證明，這就節(jié)省了計算負擔。
與有效性證明相比，Optimistic Rollup 的成本與交易數(shù)量呈線性關(guān)系，而不是用戶數(shù)量，這也使得它的交易更昂貴。
最后的難題 — Rollup 狀態(tài)的無需許可訪問
用戶只需運行一個以太坊節(jié)點就能保證交易的有效性。然而，用戶和開發(fā)人員可能會出于各種目的想要查看、運行 Rollup 的狀態(tài)和執(zhí)行。「索引 L2 節(jié)點」完美滿足了這個需求，它不僅可以讓用戶看到網(wǎng)絡中的交易，而且也是生態(tài)系統(tǒng)運作所必需的關(guān)鍵基礎設施?。像 The Graph?、Alchemy? 和 Infura? 這樣的索引器，還有 Chainlink? 這樣的預言機網(wǎng)絡，以及區(qū)塊瀏覽器，無需許可的索引 L2 節(jié)點都可以完全支持。
結(jié)論
許多解決區(qū)塊鏈可擴展性的方案錯誤地集中在增加吞吐量上。但是忽略了吞吐量對節(jié)點的影響：處理區(qū)塊和存儲歷史網(wǎng)絡的硬件要求不斷增加，會妨礙網(wǎng)絡的去中心化。
而有效性證明密碼學的出現(xiàn)，不給節(jié)點不斷加重成本負擔，允許廣泛的去中心化的情況下，讓區(qū)塊鏈可以實現(xiàn)真正的可擴展性?，F(xiàn)在同樣的硬件可以進行更多復雜且強大交易計算。這就逆轉(zhuǎn)了手續(xù)費市場的困境 — 有效性證明上的活動越多，就越便宜！
文章題目：如何定義區(qū)塊鏈的可擴展性？
本文路徑：http://www.5511xx.com/article/cdidhcp.html
